Galaxers utveckling: Spår av den kosmologiska stjärnbildningens historia

Forskningsprojekt, 2012 – 2015

Ämnesområdena galaxers uppkomst och utveckling är grundläggande delar av modern astronomi och kosmologi. Vår egen galax, Vintergatan, tros vara en spiralgalax. I vår lokala region av universum är de två vanligaste typerna av galaxer spiralgalaxer och elliptiska galaxer. Spiralgalaxer kännetecknas av att innehålla såväl gamla, röda stjärnor och unga, blå stjärnor som gas och stoft, medan de elliptiska galaxerna bara innehåller gamla, röda stjärnor. Begreppet "galax" är relativt modernt. För ungefär ett sekel sedan påvisades att Vintergatan inte utgör hela universum, utan bara är en bland miljarder andra galaxer. Denna insikt innebar ett av de första viktiga stegen mot att förstå universums storlek och ålder, och var därför ett viktigt steg mot den moderna kosmologin. En aspekt av galaxers uppkomst och utveckling är att förstå hur spiralgalaxer och elliptiska galaxer har utvecklats till att se ut som de gör idag. Under universums 13.7 miljarder långa livstid har galaxer genomgått en viktigt utveckling från att möjligen ha tagit sin början som mindre beståndsdelar, som senare kolliderat för att bilda större galaxer. I detta projekt ser vi 10-13 miljarder år tillbaka i tiden för att undersöka hur galaxerna såg ut under de första årmiljarderna efter Big Bang. På så sätt kan vi studera galaxerna som de såg ut när de var mycket yngre, så att säga i deras barndom. Förutom mörk materia består galaxer huvudsakligen av stjärnor. För att hitta de unga galaxer vi letar efter, söker vi i detta projekt inte efter stjärnorna, utan efter den gas från vilken stjärnorna bildas. Stjärnor bildas i mycket kalla gasmoln som är fulla av molekyler och stoft. Interstelärt stoft ger inte upphov till ljus av sig själv, men görs synligt då det värms upp av unga stjärnor som bildas i molnen. Denna värme ger upphov till ljus med våglängder mellan 0,01-1 mm. Den förberedande delen av projektet går ut på att hitta avlägsna galaxer med stora mängder stoft. Eftersom dessa galaxer producerar ett enormt antal stjärnor under en mycket kort tid kallar vi dem starburstgalaxer -- de producerar stjärnor i en takt som är 10, 100 eller t.o.m. 1000 gånger högre än i vår egen Vintergata. När vi har lokaliserat starburstgalaxer studerar vi de enskilda galaxerna i detalj för att bestämma vad som orsakat denna intensiva produktion av stjärnor. En kollision mellan två stora galaxer är en möjlighet att utlösa stjärnbildning. För att söka efter tecken på orsaken till stjärnbildning, samt för att bestämma galaxernas allmänna egenskaper, observerar vi molekyler. Den vanligaste molekylen i universum är vätemolekylen, H2, men den är mycket svår att observera. Istället letar vi efter andra molekyler, speciellt kolmonoxidmolekylen eftersom detta är den näst vanligaste. Kolmonoxid och en rad andra molekyler kan relativt lätt ses på våglängder runt 1 mm, och därför är ett av de viktigaste teleskopen som vi kommer att använda ALMA-teleskopet (ALMA = Atacama Large Millimeter Array), som för närvarande är under konstruktion i den Chilenska Atacamaöknen. Sverige är en del av ALMA-projektet, både genom det svenska medlemskapet i European Southern Observatory och genom den tekniska utveckling som utförs bland annat på Chalmers och tillämpas på ALMA-instrument. Vi söker i synnerhet efter kolmonoxid i de första galaxerna. Detta är mycket komplicerat på grund av det enorma avståndet till den tid då universum bara var några hundra miljoner år gammalt, och eftersom den fysikaliska omgivningen var annorlunda jämfört med vad vi vet idag. För detta projekt har vi säkrat 6500 timmar, ett ovanligt stort antal timmar, med det nya MeerKAT-teleskopet i Sydafrika. Observationerna kommer att påbörjas under 2018, men i förväg måste vi noga förbereda och utveckla de verktyg som krävs för ett så stort projekt. Vad vi förväntar oss att hitta i detta projekt är galaxer i tidiga utvecklingsfaser och molekylär gas från vilken nya stjärnor bildas i dessa galaxer. Några av de viktigaste frågorna som vi hoppas kunna besvara är följande: Hur såg vår egen Vintergata ut när den var bara en eller två miljarder år gammal? Kan vi hitta galaxer som skulle kunna vara stamfäder till Vintergatan? Och kan vi hitta några av de första galaxerna?